TCP/IP协议——ARP

太过爱你忘了你带给我的痛 2022-10-13 05:19 216阅读 0赞

## ARP ##

只要确定了IP地址，就可以向这个目标地址发送IP数据报。然而，在底层数据链路层，进行实际通信时确有必要了解每个IP地址所对应的MAC地址。

## 一、ARP概要 ##

ARP是一种解决地址问题的协议。以目标IP地址为线索，用来定位下一个应该接受数据分包设备对应的MAC地址。如果目标主机不在同一个链路上时，可以通过ARP查找下一跳路由器的MAC地址。不过ARP只适用于IPv4，不能用于IPv6。IPv6中可以用ICMPv6替代ARP发送邻居探索消息。

## 二、ARP的工作机制 ##

那么ARP又是如何知道MAC地址的呢？简单地说，ARP是借助ARP请求与ARP相应两种类型的包确定MAC地址的。

如图所示，假定主机A向同一链路上的主机B发送IP包，主机A的IP地址为172.20.1.1，主机B的IP地址为172.20.1.2，它们互不知道对方的MAC地址。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDA5NjM1Mw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

主机A为了获得主机B的MAC地址，起初要通过广播发送一个ARP请求包。这个包中包含了想要了解其MAC地址的主机IP地址。也就是说，ARP请求包中已经包含了主机B的IP地址172.20.1.2。由于广播的包可以被同一个链路上所有的主机或路由器接受，因此ARP的请求包也就会被这同一链路上所有的主机和路由器进行解析。如果ARP的请求包中的目标Ip地址与自己的IP地址一致，那么这个节点就将自己的MAC地址塞入ARP相应包返回给主机A

总之，从一个IP地址发送ARP请求包以了解其MAC地址，目标地址将自己的MAC地址填入其中的ARP相应包返回到IP地址。由此，可以通过ARP从IP地址获得MAC地址，实现链路内的IP通信。

根据ARP可以动态地进行地址解析，因此，在TCP/IP地网络构成和网络通信中无需事先知道MAC地址究竟是什么，只要有IP地址即可。

如果每发送一个IP数据报都要进行一次ARP请求以此确定MAC地址，那将会造成不必要地网络流量，因此，通常地做法是把获取到的MAC地址缓存一段时间。即把第一次通过ARP获取到的MAC地址作为IP对MAC地映射关系记忆到一个ARP缓存表中，下一次再向这个IP地址发送数据报时不需要再重新发送ARP请求，而是直接使用这个缓存表当中地MAC地址进行数据报地发送。每执行一次ARP，其对应地缓存内容都会被清除。不过在清除之前都可以不需要执行ARP就可以获取想要的MAC地址。这样，在一定程度上也防止了ARP包在网络上被大量广播地可能性。

一般来说，发送过一次IP数据报地主机，继续发送多次IP数据报地可能性会比较高。因此，这种缓存能够有效地减少ARP包的发送。反之，接受ARP请求的那个主机又可以从这个ARP请求包获取发送端主机的IP地址及其MAC地址。这时它也可以将这些MAC地址的信息缓存起来，从而根据MAC地址发送ARP相应包给发送端主机。类似地，接收到IP数据报地主机又往往会继续返回IP数据报给发送端主机，以作为相应。因此，在接收主机端缓存MAC地址也是一种提高效率的方法。

不过，MAC地址的缓存是有一定期限的。超过这个期限，缓存的内容将被清除。这使得MAC地址与IP地址对应关系即使发生了变化，也依然能够将数据包正确地发送给目标地址。

ARP包格式：  
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## 三、IP地址和MAC地址缺一不可？ ##

有些读者可能会提出这样的疑问：“数据链路上只要知道接收端的MAC地址 不就知道数据是准备发送给主机B的吗，那还需要知道它的IP地址吗?”

乍听起来确实让人觉得好像是在做多余的事。此外，还有些读者可能会质疑: “只要知道了 IP地址，即使不做ARP,只要在数据链路上做一个广播不就能发给 主机B 了吗?”那么，为什么既需要IP地址又需要MAC地址呢？

如果读者考虑一下发送给其他数据链路中某一个主机时的情况，这件事就不 难理解了。如图所示，主机A想要发送IP数据报给主机B时必须得经过路由器C。即使知道了主机B的MAC地址，由于路由器C会隔断两个网络，还是无法 实现直接从主机A发送数据报给主机B。此时，主机A必须得先将数据报发送给 路由器C的MAC地址C1.

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此外，假定MAC地址就用广播地址，那么路由器D也将会收到该广播消息。 于是路由器D又将该消息转发给路由器C,导致数据包被重复发送两次。

在以太网上发送IP包时，“下次要经由哪个路由器发送数据报”这一信息非 常重要。而这里的“下一个路由器”就是相应的MAC地址。

如此看来，IP地址和MAC地址两者缺一不可。于是就有将这两个地址相关 联的ARP协议。

最后，我们再试想一下，不使用IP地址，而是通过MAC地址连接世界上所 有网络中所有的主机和节点的情况。仅仅凭一个MAC地址，人们是无法知道这台 机器所处的位置的丄 而且如果全世界的设备都使用MAC地址相连，那么网桥在 习得之前就得向全世界发送包。可想而知那将会造成多大的网络流量。而且由于 没有任何集约机制，网桥就不得不维护一张巨大的表格来维护所学到的所有MAC 地址。一旦这些信息超过网桥所能承受的极限，那将会导致网桥无法正常工作, 也就无法实现通信了。

## 四、RARP ##

RARP (Reverse Address Resolution Protocol)是将 ARP 反过来，从 MAC 地址 定位IP地址的一种协议。例如将打印机服务器等小型嵌入式设备接入到网络时就 经常会用得到。

平常我们可以通过个人电脑设置IP地址，也可以通过DHCPV自动分配获取 IP地址。然而，对于使用嵌入式设备时，会遇到没有任何输入接口或无法通过 DHCP动态获取IP地址的情况。

在类似情况下，就可以使用RARP。为此，需要架设一台RARP服务器，从 而在这个服务器上注册设备的MAC地址及其IP地址。然后再将这个设备接入到 网络，插电启动设备时，该设备会发送一条“我的MAC地址是\*\*\*\*\* , 请告诉我, 我的IP地址应该是什么”的请求信息。RARP服务器接到这个消息后返回类似于“MAC地址为 \*\*\*\*\* 的设备，IP地址为\*\*\*\*\*\*” 的信息给这个设备。而设备就根据从 RARP服务器所收到的应答信息设置自己的IP地址。

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## 五、代理ARP ##

定义

代理ARP就是通过使用一个主机(通常为router)，来作为指定的设备使用自己的 MAC 地址来对另一设备的ARP请求作出应答。

为什么需要代理ARP？

先要了解，路由器的重要功能之一就是把局域网的广播包限制在该网内，阻止其扩散，否则会造成网络风暴。

ARP请求是个广播包，它询问的对象如果在同一个局域网内，就会收到应答。但是如果询问的对象不在同一个局域网该如何处理？路由器就提供的代理ARP为这个问题提供了解决方案。

工作过程

两台主机A和B处于同一网段但不同的广播段时，主机A发送ARP请求主机B的MAC地址时，因为路由器不转发广播包的原因，ARP请求只能到达路由器。如果路由器启用了代理ARP功能，并知道主机B属于它连接的网络，那么路由器就用自己接口的MAC地址代替主机B的MAC地址来对主机A进行ARP应答。主机A接收ARP应答，但并不知道代理ARP的存在。

代理ARP的优缺点

优点：代理ARP能在不影响路由表的情况下添加一个新的Router，使子网对该主机变得透明化。一般代理ARP应该使用在主机没有配置默认网关或没有任何路由策略的网络上。

缺点：从工作工程可以看到，这其实是一种ARP欺骗。而且，通过两个物理网络之间的路由器的代理ARP功能其实互相隐藏了物理网络，这导致无法对网络拓扑进行网络概括。此外，代理ARP增加了使用它的那段网络的ARP流量，主机需要更大的ARP缓存空间，也不会为不使用ARP进行地址解析的网络工作。

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